今日為大家?guī)��?lái)一篇發(fā)表于《Aerospace Science and Technology》期刊的研究論文，該論文聚焦于迷宮密封泄漏流對(duì)多級(jí)軸流壓縮機(jī)性能及流場(chǎng)特性的影響，研究成果對(duì)提高壓縮機(jī)效率和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。
PART 01研究背景與目的多級(jí)軸流壓縮機(jī)在燃?xì)廨啓C(jī)中廣泛應(yīng)用，但靜動(dòng)部件間的間隙會(huì)導(dǎo)致泄漏流，影響主流和二次流，降低壓縮機(jī)性能。此前雖有研究探討泄漏流對(duì)壓縮機(jī)性能的影響，但對(duì)于考慮定子與轉(zhuǎn)子間泄漏流傳播及多級(jí)流影響的總壓損失和其他流場(chǎng)特性研究尚不充分。本研究旨在深入探究多級(jí)軸流壓縮機(jī)詳細(xì)流場(chǎng)特性與迷宮密封泄漏流的關(guān)系。PART 02研究方法物理模型以一臺(tái)帶進(jìn)口導(dǎo)葉（IGV）的三級(jí)軸流壓縮機(jī)為研究對(duì)象，其在跨音速條件下運(yùn)行，設(shè)計(jì)壓力比約為 2.5。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片采用多圓弧型線，定子葉片為雙圓弧型線。實(shí)驗(yàn)中使用的迷宮密封配置被應(yīng)用于本次研究，同時(shí)對(duì)比有無(wú)迷宮密封時(shí)壓縮機(jī)的性能和流場(chǎng)行為。
數(shù)值模擬采用商業(yè)軟件 ANSYS CFX，運(yùn)用三維可壓縮非定常雷諾平均納維 - 斯托克斯（URANS）方程結(jié)合剪切應(yīng)力輸運(yùn)（SST）湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬。時(shí)間積分采用二階向后歐拉法，時(shí)間步長(zhǎng)為 8.33e - 6 s，每個(gè)時(shí)間步進(jìn)行五次內(nèi)部迭代。設(shè)定 IGV 進(jìn)口和第一級(jí)迷宮密封進(jìn)口的總壓和總溫，以及第三級(jí)定子出口和第三級(jí)迷宮密封出口的平均靜壓。為處理各域間的交界面，調(diào)整了定子和轉(zhuǎn)子的葉片數(shù)以保證相同節(jié)距，經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試后，確定壓縮機(jī)主流道網(wǎng)格總數(shù)為 720 萬(wàn)。
PART 03研究成果泄露流特性1.利用瞬態(tài)轉(zhuǎn)子 - 定子交界面方法模擬發(fā)現(xiàn)，迷宮密封泄漏流隨旋轉(zhuǎn)波動(dòng)，第二級(jí)定子處的泄漏波動(dòng)相對(duì)較高，影響混合損失和主流流型。2.經(jīng)時(shí)間平均和歸一化處理，第三級(jí)定子的泄漏流量最高（0.41%），IGV 和第二級(jí)定子為 0.27%，第一級(jí)定子最低（0.13%）。3.通過(guò)觀察一級(jí)定子葉片上的三維流線，發(fā)現(xiàn)泄漏流在一級(jí)定子輪轂附近形成回流區(qū)，并與回流混合，部分泄漏流進(jìn)入一級(jí)定子出口間隙；二級(jí)定子葉片上的流線顯示，泄漏流從入口間隙出發(fā)，流經(jīng)輪轂區(qū)域后在下游分流。
壓縮機(jī)性能與總壓損失1.迷宮密封應(yīng)用使一級(jí)定子總壓降增加，三級(jí)定子總壓降降低，二級(jí)定子總壓降在有無(wú)迷宮密封時(shí)相似。2.考慮泄漏流時(shí)，一級(jí)和二級(jí)轉(zhuǎn)子效率提高，三級(jí)轉(zhuǎn)子效率降低，導(dǎo)致整個(gè)壓縮機(jī)級(jí)效率降低約 0.4%，表明泄漏流干擾主流，降低壓縮機(jī)性能。3.泄漏流影響主流和輪轂附近區(qū)域的總壓損失系數(shù)，改變主流流型和級(jí)間匹配，但葉尖和機(jī)匣區(qū)域總壓損失變化較小。一級(jí)定子總損失在 0% - 15% 跨度內(nèi)增加，導(dǎo)致總壓降上升；一、二級(jí)轉(zhuǎn)子考慮迷宮密封時(shí)平均總壓損失降低，三級(jí)轉(zhuǎn)子則增加。
流場(chǎng)特征與堵塞結(jié)果1.表面流線顯示，有迷宮密封的一級(jí)定子出現(xiàn)輪轂角失速，且泄漏流增強(qiáng)了回流特性；三級(jí)定子輪轂區(qū)域的輪轂角失速核心尺寸減小，原因是其入口前泄漏流方向向外，未注入主流，表明泄漏方向?qū)�壓縮機(jī)性能影響重要。2.熵輪廓圖表明，有無(wú)迷宮密封時(shí)，密封間隙處?kù)胤植疾煌�。有迷宮密封時(shí)，IGV、一級(jí)和二級(jí)定子入口處通過(guò)密封間隙的流熵增加，一級(jí)定子輪轂附近因輪轂角失速出現(xiàn)高熵區(qū)；三級(jí)定子因輪轂角失速消失，部分通道熵降低，說(shuō)明泄漏流對(duì)壓縮機(jī)輪轂區(qū)域流場(chǎng)特性影響顯著。3.采用 Suder 方法量化堵塞發(fā)現(xiàn)，除末級(jí)定子外，有迷宮密封的定子和轉(zhuǎn)子堵塞高于無(wú)迷宮密封情況。一級(jí)定子堵塞增加最多，三級(jí)定子堵塞減少最明顯（從 11.6% 降至 8.3%），主要原因是一級(jí)和三級(jí)定子的輪轂角失速。有迷宮密封的二級(jí)定子堵塞在整個(gè)跨度內(nèi)增加，這解釋了一級(jí)轉(zhuǎn)子平均堵塞增加的原因。